胡水根,张平松,严家平

（1.安徽理工大学地球与环境学院,安徽淮南 232001;2.淮南职业技术学院采矿工程系,安徽淮南 232001）

综合地球物理勘探技术保障煤矿深部资源的科学开采

胡水根1,2,张平松1,严家平1

（1.安徽理工大学地球与环境学院,安徽淮南 232001;2.淮南职业技术学院采矿工程系,安徽淮南 232001）

煤矿在向深部开采的过程中,会遇到一系列比浅部更困难的问题,如:巷道围岩变形和冲击矿压、煤与瓦斯突出、水灾及高温热害等。通过分析,深部问题会引起岩 （矿）体产生相应的物性异常,认为可发挥综合地球物理勘探技术的优点,预先探测出深部开采中可能会遇到的哪些具体问题。指出综合地球物理勘探是保障煤矿深部科学开采的重要技术。

综合物探;深部资源;科学开采

1 深部开采综合物探的必要性与技术思路

随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加大,浅部资源日益减少,矿井深部开采,是煤矿生产的必然过程。如何认识深部开采的复杂条件,吸引了学者们对此问题的广泛关注[1-6],及时解决深部开采时面临的主要问题[7],如:巷道围岩变形和冲击矿压、煤与瓦斯突出、水灾及高温热害等,实现煤矿的科学开采[8],做到高效开采、绿色开采、安全开采和经济开采,是摆在当前从事深部开采生产管理者面前的重要课题。

面对深部复杂的勘探目标,由于任一种地球物理方法所利用和反映的只是其一个侧面,单凭一种方法就表现出了某种局限性。如重、磁方法横向分辨率较高,而电磁勘探是介于地震和重、磁勘探方法之间的一种勘探方法,比重、磁方法有较好的垂向分辨和分层能力,但是,由于电磁场强度随深度呈指数规律衰减的特点,其分辨能力也随着深度按指数规律减小,所以与地震方法相比,其垂向分辩率与分层能力要低[9]。必须以其他方法作必要的补充以克服物探技术多解性的不足,综合各种地球物理方法,从不同角度来研究同一对象就较全面地接近于实际,将其综合解释不仅有可能解决深部采矿所遇到的问题,而且还可对地下构造有更全面地认识。矿井深部地质、地球物理条件的复杂多样性,都决定了物探必须在先进的地质理论指导下走综合物探之路,只有这样,才能充分发挥各种地球物理方法的优势和特长,高效率、高效益地解决矿井深部的难题,实现科学采矿。另外,市场经济要求 “最小的投入,最大的回报”,因此,近年来国内外学者十分重视综合地球物理方法的研究[10-21]。

地下岩 （矿）体的物性差异是地球物理勘查工作的前提。在物探工作开展之前,首先对勘查区的物性进行调查研究;其次,才能根据勘探的目标体综合评价其可能产生哪些可靠的物性差异,选择合适的哪几种地球物理勘探方法;然后,根据地质条件的具体情况对综合地球物理勘探数据进行分析处理,解释;最后,总结深部综合地球物理方法的成功经验,推广应用。因此,综合地球物理勘探技术解决深部开采问题的思路如图 1所示。

图1 深部开采综合物探技术解决思路

2 煤矿深部开采主要问题及探测方法选择

2.1 矿井水灾

深部开采面临高岩溶水压问题,承压水位高,水头压力大,使巷道围岩和煤层底板承受的高压水对矿井安全生产的威胁越来越大。

由于电磁法对含水低阻体敏感,当岩 （矿）体中充水时其电性将发生显著的改变,以岩 （矿）电性差异为基础的电磁法勘探是较为理想的矿井水灾地球物理勘探方法。在解决与水有关的矿井构造及含水性评价方面显示出较大的优越性。石显新等[22]在综合利用常规矿井直流电法、井下高密度电阻率法、电透视、矿井瞬变电磁法等物探方法,从应用实例表明:电磁法是一种探测井下深部高压突水水害隐患的有效方法。邢相荣等[10]对肥城矿区利用直流电法、瑞利波法、直流电法透视法、钻孔无线电波透视法等综合物探技术进行了成功探测,并指出物探方法有许多种,但每种物探方法各有千秋,应用条件不同,需要解决的地质目的不同,就要选用不同的物探方法。要开展几种有效的综合物探方法,以便减少因开展单一物探方法造成的误判和损失。刘志新等[23]使用了电阻率成像技术、矿井瞬变电磁法、无线电波透视技术及音频电透视技术进行了突水条件模型试验和现场应用,并取得了预期的效果,同时指出各种单一的物探技术在使用过程中都存在着各种局限性,必须使用综合物探技术才能更好地进行勘探和评价,为矿井防治水技术提供保障。杨文钦等[24]使用了三极测深法、瞬变电磁法、无线电坑透法等综合物探方法,并结合本区水文、构造地质和钻探资料进行分析,对断层的富水性进行了成功探测。程久龙[25]综合使用电法和地震 CT等物探方法研究了采动裂隙岩体的地球物理特征,为深部采煤防治水提供了参考。

2.2 巷道围岩变形

对于深部开采引起的巷道围岩变形、矿井冲击矿压、矿压显现加剧等现象都会引起岩 （矿）体的物性发生一系列的变化,因此可以通过地球物理的方法加以解决。张平松等[26]利用煤层采动后顶底板应力状态发生改变会产生一定范围的变形与破坏,不同煤层采动过程中的底板破坏具有一定的规律,通过实测法获得底板破坏深度值及规律。采用震波 CT探测技术结合煤层工作面中孔–巷间形成的探测剖面进行不同时期震波 CT数据采集反演与资料处理,可获得煤层采动过程中底板破坏的动态发育规律及特征。开采探测实践表明震波 CT技术对底板破坏规律探测具有连续的动态效应,其适用性强,应用效果显著。王恩元等[27]运用 KBD5矿用本安型电磁辐射监测仪测试了煤矿采掘过程中工作面煤岩体的电磁辐射,分析了电磁信号与采掘工艺及煤岩动力灾害危险性等的关系。研究表明,煤矿采掘过程伴随产生电磁辐射,电磁辐射是煤岩体受到采动影响后应力重新分布或变形破裂趋向新的平衡的结果;有煤与瓦斯突出和冲击矿压危险时,有明显的电磁异常前兆;采取防治措施后,电磁辐射显著下降。电磁辐射技术在煤矿可以用于预测煤与瓦斯突出、冲击矿压等煤岩动力灾害。李凤琴等[28]通过微震监测技术,观测、分析生产活动中产生的微小地震事件来监测其对生产活动的影响、效果及地下状态。其基础是声发射学和地震学,当地下岩石由于人为因素或自然因素发生破裂、移动时,产生一种微弱的地震波向周围传播,在空间上不同方位设置的传感器,记录微震波的到达时间、传播方向等信息确定岩石的破裂点,从而推演覆岩空间破裂形态与采动应力场的关系,预测和控制可能的煤矿灾害,如冲击矿压等。王云海等[29]通过实验研究不同煤样变形破坏全过程的声发射和电磁辐射效应的演化规律,分析了煤样变形破坏过程中电磁辐射和声发射信号的相关性和煤样变形破坏的微观机理,提出了煤样变形破坏过程中电磁辐射和声发射信号分别是在煤样内的裂纹面滑移和裂纹扩展时产生的观点,较好地解释了煤样变形破坏过程中声电效应的变化规律和特征,为进一步提高电磁辐射及声发射、电磁辐射综合预测煤岩动力灾害的可靠性和准确性提供了理论基础。

2.3 矿井煤与瓦斯突出

随着开采深度与强度的增加,我国煤矿瓦斯动力灾害显著增加。对于煤与瓦斯的地球物理方法探测,一些相关的科研工作者进行了相应的探索。刘盛东等[30]分析研究了淮南矿区煤层频谱特征、波速特征及衰减特征,结果表明,煤层中瓦斯含量和震波动力学参数具有较好的相关性,其中煤层瓦斯含量与震波波速具有线性相关关系,随着煤层瓦斯含量的增加,煤层波速逐渐减小;瓦斯含量与煤层固有主频值呈较好的线性相关;瓦斯含量与煤层衰减系数呈对数相关,与品质因子呈线性相关。杨双安等[31]假定煤层游离态甲烷富集区与固态煤系地层是一种典型的 （固相 +流相）双相介质,利用基于双相介质的波动方程理论,对现有的三维地震资料进行再处理,认为预测瓦斯富集区是可行的,并进行了应用尝试[32]。杨永波等[33]利用三维地震资料及双介质理论对晋城煤业集团赵庄矿瓦斯富集区进行了预测,从预测结果看,符合煤层气理论,同时符合地质规律,为煤矿的安全生产进行了有益的尝试。崔若飞等[34]利用地震 P波对裂缝性地层所表现出的方位各向异性特征,根据地震属性随方位角变化可以预测裂隙发育方向和密度的基本原理,应用多种地震 P波方位属性预测裂隙发育带。通过对淮南张集煤矿西三采区三维地震 P波资料的处理,获得 6个方位地震数据体,从中提取多种与煤层和围岩裂隙相关的地震属性,并计算出裂隙的发育方向和密度,为确定瓦斯富集带的分布提供了一种新的途径。袁亮[35-37]提出并研究了煤与瓦斯共采技术,并指出利用矿井坑透对开采煤层中小断层及裂缝发育带进行精确预测,地震勘探 AVO技术[38],预测瓦斯的富集部位。综合地质和物探技术,对矿区瓦斯的分布进行预测和评价,为瓦斯抽采治理提供可靠的技术依据。冯宏[39]总结出通过测量岩体物性差异预测瓦斯动力赋存的地质条件,测定物性差异体的三维空间位置可确定采矿作业的安全岩体隔离厚度等,认为地球物理探测技术为防止煤矿瓦斯事故发生发挥着关健作用。

2.4 地热灾害的地球物理探测

随着开采深度的加大,地热对生产的影响已逐步加大,有些矿井,热害问题已经成为制约安全生产、高产高效、和谐发展的瓶颈[40]。综合地球物理方法在地面已有成功勘探的很多案例。应勇等[41]根据在地热勘探中地球物理各方法自身的特点和地球物理前提不同。比如,重力勘探适用于反映区域构造,磁法适用于探测测区内火成岩和侵入岩体的存在和分布特征,而电法对于勘探精细构造和地层划分特别是对于地层的电性特征的划分具有独特的优势。通过遥感解译、重力勘探、磁法勘探、电法勘探等综合物探技术在华东 J地区地热勘探中的应用,成功地探测出地层的地热资源分布,认为单一的物探方法对于解决单一的地质问题可发挥重要作用,但从整体上考虑,综合物探对地热地质勘探的优势更趋显著。金永念等[42]历经 1a张家港市西张镇地热勘查,在项目的论证、调查工作中,充分应用了包括重力、航磁、直流电测深、地温测量、可控源音频大地电磁测深等综合物探方法,展示了物探多元信息技术在非温泉出露地区地热勘查中的有效性和重要性。认为重力、航磁、直流电测深方法能快速有效地确定地热勘查靶区,排除钻遇火成岩体的风险;可控源音频大地电磁测深则能在地质构造推断、地热井位选择方面发挥很好的作用,相信不久的将来也将会运用到井下。

3 讨论

深部采矿中遇到的主要问题都可在分析其产生可靠的物性差异的基础上,采用综合地球物理勘探的方法加以解决。但要想使地球物理勘探这种方法能更好地为深部科学采矿发挥作用,笔者认为目前必须要解决以下 3个问题:

（1）要求克服井下相对严重的地球物理干扰场,尤其是电法和瞬变电磁的干扰为甚。

（2）提高数据的采集效率,深部井下的环境使数据采集的困难比地面大的多。必须在短时间内能够采集到大量的数据,因为地球物理学在本质上是一门观测的科学,故可靠信息与信息量的缺乏则是任何数学技巧和图像处理所无法弥补的[43]。目前的电法数据采集方面有重要进展,主要采用并行方法采集[44]:在同样电极组合条件下,并行采集物理点的数据是随着电极数量的增加而成二次抛物线增长,从而使电法勘探数据采集效率空前提高。

（3）数据处理方法:目前大部分的数据处理、反演,针对的是地面半空间的处理[45-49],而针对深部井下的三维全空间数据反演[50]涉及的很少。

4 结论与建议

（1）单一的物探方法可能解决深部的一些问题,但综合地球物理勘探技术有相当大的优越性,是进行深部科学采矿的重要技术保障。

（2）为使综合地球物理勘探技术更好地发挥作用,一方面深入分析深部问题产生的可靠异常,选择合适物探方法;另一方面需加强深部井下综合地球物理勘探技术实践、加大相关科研投入。

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Scientific Mining Deep Coal Resource Supported by Comprehensive Geophysical Prospecting Technology

HU Shui-gen1,2,ZHANG Ping-song1,YAN Jia-ping1
（1.The Earth and Environment School,AnhuiUniversity of Science&Technology,Huainan 232001,China;
2.MiningDepartment,Huainan Vocation Institute of Technology,Huainan 232001,China）

In deep coalmining,a series of difficult problemswould occur such as surrounding rock defor mation,rock-burst,coal and methane bursting,flood and heat damage.The problemswould result in rock and coal body’s physical properties variation,so comprehensive geophysical prospecting technologymight be used to predict the problems in deep mining.Comprehensive geophysical prospecting technology is an important technology for deep scientific mining.

comprehensive geophysical prospecting;deep resource;scientific mining

P631

A

1006-6225（2011）03-0031-04

2010-11-08

安徽省高等学校优秀青年人才基金项目 （2009SQRZ220）;淮南职业技术学院重点教科研项目 （HKJ08-1）

胡水根 （1975-）,男,安徽芜湖人,在读博士,主要从事地电学、工程和综合地球物理勘探教学和科研工作。

[责任编辑:邹正立 ]